2025年高中物理知識(shí)競(jìng)賽高溫超導(dǎo)與拓?fù)湮飸B(tài)測(cè)試（一）一、高溫超導(dǎo)材料體系的突破性進(jìn)展2025年2月，南方科技大學(xué)薛其坤院士團(tuán)隊(duì)在《自然》發(fā)表的鎳基超導(dǎo)研究成果，標(biāo)志著高溫超導(dǎo)領(lǐng)域迎來(lái)第三次體系性突破。該團(tuán)隊(duì)通過(guò)自主研發(fā)的"強(qiáng)氧化原子逐層外延"技術(shù)，在原子級(jí)平滑的基片上構(gòu)建出厚度僅幾納米的鎳氧化物薄膜，實(shí)現(xiàn)了常壓下40開(kāi)爾文（-233℃）的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度，這一溫度突破了傳統(tǒng)超導(dǎo)體的"麥克米蘭極限"，使鎳基材料成為繼銅基（1986年）、鐵基（2008年）之后第三類(lèi)常壓高溫超導(dǎo)體系。（一）超導(dǎo)現(xiàn)象的核心特征驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)中觀測(cè)到的"零電阻"現(xiàn)象表現(xiàn)為：當(dāng)溫度從40K降至38K時(shí)，材料電阻從0.1Ω突然跌落至10??Ω以下，符合超導(dǎo)相變的典型特征。同時(shí)，通過(guò)磁懸浮實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了邁斯納效應(yīng)——將釹鐵硼永磁體靠近冷卻至35K的樣品時(shí)，磁鐵出現(xiàn)穩(wěn)定懸浮狀態(tài)，其懸浮高度達(dá)2.3毫米，對(duì)應(yīng)約1200高斯的臨界磁場(chǎng)強(qiáng)度。這種完全抗磁性行為與零電阻現(xiàn)象共同證實(shí)了超導(dǎo)態(tài)的形成。（二）鎳基超導(dǎo)的獨(dú)特晶體結(jié)構(gòu)該鎳氧化物材料具有層狀鈣鈦礦結(jié)構(gòu)，化學(xué)式可表示為L(zhǎng)a?.?Sr?.?NiO?。X射線衍射圖譜顯示其c軸晶格常數(shù)為12.6?，比傳統(tǒng)鎳酸鹽減小8%，這源于強(qiáng)氧化條件下形成的Ni??高價(jià)態(tài)。掃描隧道顯微鏡（STM）圖像揭示了表面原子排列的周期性調(diào)制，形成2×2超晶格結(jié)構(gòu)，這種電荷密度波序與超導(dǎo)態(tài)的競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系成為后續(xù)機(jī)理研究的關(guān)鍵方向。（三）制備技術(shù)的革命性突破"強(qiáng)氧化原子逐層外延"技術(shù)通過(guò)臭氧等離子體輔助沉積，將氧化能力提升至傳統(tǒng)方法的10?倍。在分子束外延系統(tǒng)中，鑭、鍶、鎳原子按1.8:0.2:1的比例交替沉積，氧分壓精確控制在5×10??mbar，生長(zhǎng)速率保持0.1nm/min。這種類(lèi)似"納米級(jí)搭積木"的制備方式，使材料的原子級(jí)平整度達(dá)到RMS值0.3nm（10×10μm2掃描范圍），為研究界面超導(dǎo)機(jī)制提供了理想平臺(tái)。二、拓?fù)湮飸B(tài)的前沿探索與應(yīng)用2025年拓?fù)湮飸B(tài)研究呈現(xiàn)多維突破，從靜態(tài)空間拓?fù)涞絼?dòng)態(tài)時(shí)間維度的拓展，從基礎(chǔ)理論到器件應(yīng)用的跨越，展現(xiàn)出量子材料領(lǐng)域的蓬勃生命力。其中山西大學(xué)在KV3Sb5材料中發(fā)現(xiàn)的手性量子態(tài)、清華大學(xué)實(shí)現(xiàn)的有限溫度拓?fù)溥吘墤B(tài)，以及微軟Majorana1芯片的商業(yè)化嘗試，共同構(gòu)建了拓?fù)淞孔蛹夹g(shù)的全新圖景。（一）手性量子態(tài)的實(shí)驗(yàn)觀測(cè)在層狀六方結(jié)構(gòu)的KV3Sb5晶體中，通過(guò)極低溫STM觀測(cè)到一種具有手性特征的電荷密度波序。當(dāng)施加面內(nèi)磁場(chǎng)時(shí)，電子態(tài)密度譜出現(xiàn)±2π/3的相位調(diào)制，形成螺旋狀的電荷分布。這種手性破缺現(xiàn)象源于晶格旋轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)性與電子關(guān)聯(lián)效應(yīng)的耦合，其臨界溫度達(dá)78K，遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)拓?fù)涑瑢?dǎo)體，為量子計(jì)算提供了新的自由度調(diào)控方案。（二）時(shí)間維度拓?fù)鋺B(tài)的構(gòu)建清華大學(xué)鄧東靈團(tuán)隊(duì)在125比特"天目2號(hào)"超導(dǎo)量子芯片上，通過(guò)周期性激光脈沖驅(qū)動(dòng)構(gòu)建了弗洛凱拓?fù)浣菓B(tài)。實(shí)驗(yàn)中采用頻率5GHz、脈寬20ns的微波場(chǎng)，使一維量子鏈產(chǎn)生時(shí)間周期性勢(shì)場(chǎng)，在系統(tǒng)邊界激發(fā)出穩(wěn)定存在的零能模。這種時(shí)間維度的拓?fù)浔Ｗo(hù)機(jī)制，將量子態(tài)的熱穩(wěn)定性從絕對(duì)零度提升至100mK，為量子存儲(chǔ)開(kāi)辟了新路徑。（三）拓?fù)淞孔颖忍氐目垢蓴_特性微軟Majorana1芯片集成的8個(gè)拓?fù)淞孔颖忍?，利用馬約拉納零模作為量子信息載體，其相干時(shí)間達(dá)到320μs，是傳統(tǒng)超導(dǎo)量子比特的10倍。在量子門(mén)操作中，單比特門(mén)保真度達(dá)99.92%，雙比特門(mén)保真度99.4%，主要得益于拓?fù)浔Ｗo(hù)帶來(lái)的內(nèi)在抗噪聲能力。當(dāng)環(huán)境溫度波動(dòng)±5mK時(shí)，量子態(tài)存活率仍保持85%以上，顯著優(yōu)于超導(dǎo)電荷量子比特。三、高溫超導(dǎo)與拓?fù)湮飸B(tài)的交叉研究（一）拓?fù)涑瑢?dǎo)的實(shí)驗(yàn)證據(jù)中科院物理所在鐵基超導(dǎo)材料FeSe???Te?中，通過(guò)STM觀測(cè)到表面態(tài)的安德烈夫反射現(xiàn)象。當(dāng)針尖電壓設(shè)置為-10mV時(shí)，在拓?fù)浔砻鎽B(tài)區(qū)域出現(xiàn)強(qiáng)度為2.3nA的準(zhǔn)粒子峰，其空間分布呈現(xiàn)±1的手性特征，這為Majorana費(fèi)米子的存在提供了間接證據(jù)。進(jìn)一步的磁場(chǎng)依賴(lài)實(shí)驗(yàn)顯示，該零能模在±5T磁場(chǎng)下仍保持穩(wěn)定，符合非阿貝爾任意子的拓?fù)涮匦浴＃ǘ┝孔臃闯；魻栃?yīng)的溫度突破北京大學(xué)團(tuán)隊(duì)在Cr摻雜(Bi,Sb)?Te?薄膜中實(shí)現(xiàn)了1.5K溫度下的量子反?；魻栃?yīng)?；魻栯娮柙?4T磁場(chǎng)下達(dá)到25812Ω的量子化平臺(tái)，對(duì)應(yīng)填充因子ν=1。通過(guò)柵壓調(diào)控費(fèi)米能級(jí)，可使該效應(yīng)的工作溫度提升至3K，這一進(jìn)展為低能耗電子器件奠定基礎(chǔ)。與高溫超導(dǎo)體結(jié)合，有望構(gòu)建出同時(shí)具有零電阻和量子化霍爾電阻的新型器件。（三）光子拓?fù)浣^緣體的應(yīng)用在光子晶體領(lǐng)域，南京大學(xué)制備的二維拓?fù)涔庾泳w具有蜂窩狀晶格結(jié)構(gòu)，晶格常數(shù)620nm，工作波長(zhǎng)1550nm通信波段。實(shí)驗(yàn)測(cè)量顯示其邊界態(tài)傳播損耗僅0.2dB/cm，且在90°彎折處的透射率保持98%，這種抗缺陷特性源于拓?fù)浔Ｗo(hù)的單向傳輸機(jī)制?；谠摬牧系墓饬孔有酒褜?shí)現(xiàn)10路量子態(tài)的無(wú)串?dāng)_傳輸，為量子通信提供了穩(wěn)定的硬件平臺(tái)。四、綜合應(yīng)用題（一）高溫超導(dǎo)磁體設(shè)計(jì)某實(shí)驗(yàn)室計(jì)劃利用鎳基超導(dǎo)材料繞制螺線管磁體，已知材料的臨界電流密度Jc=2×10?A/cm2，臨界磁場(chǎng)Bc=1.2T。若磁體平均直徑5cm，長(zhǎng)度20cm，需設(shè)計(jì)單層密繞線圈：計(jì)算導(dǎo)線的最大允許電流（導(dǎo)線直徑0.5mm）；確定產(chǎn)生1T磁場(chǎng)所需的匝數(shù)；估算磁體的總電感量。（二）拓?fù)洳牧陷斶\(yùn)特性分析在KV3Sb5手性拓?fù)浒虢饘俚妮斶\(yùn)實(shí)驗(yàn)中，觀測(cè)到以下現(xiàn)象：縱向電阻隨溫度降低出現(xiàn)lnT依賴(lài)關(guān)系；霍爾電阻呈現(xiàn)非飽和線性增長(zhǎng)；施加面內(nèi)磁場(chǎng)時(shí)出現(xiàn)負(fù)磁阻效應(yīng)。請(qǐng)結(jié)合拓?fù)浔砻鎽B(tài)理論解釋上述現(xiàn)象，并說(shuō)明手性anomaly對(duì)輸運(yùn)性質(zhì)的影響。（三）量子比特穩(wěn)定性比較對(duì)比傳統(tǒng)超導(dǎo)電荷量子比特與拓?fù)漶R約拉納量子比特：分析兩種量子比特的退相干機(jī)制差異；計(jì)算在相同環(huán)境噪聲下（1/f噪聲強(qiáng)度S?=10??μV2/Hz）的相干時(shí)間比值；提出一種基于拓?fù)浔Ｗo(hù)的量子糾錯(cuò)方案。五、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)分析（一）高溫超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度測(cè)量設(shè)計(jì)一套基于四引線法的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度測(cè)量系統(tǒng)，要求：溫度范圍4.2-300K，控溫精度±10mK；電阻測(cè)量分辨率10??Ω；繪制YBCO樣品的R-T曲線，并計(jì)算其超導(dǎo)轉(zhuǎn)變寬度（從90%R_n到10%R_n的溫度間隔）。（二）拓?fù)溥吘墤B(tài)STM表征利用掃描隧道顯微鏡研究Bi?Se?拓?fù)浣^緣體表面態(tài)：解釋為何在費(fèi)米能級(jí)附近出現(xiàn)線性色散關(guān)系；當(dāng)針尖施加+2V偏壓時(shí)，如何區(qū)分體態(tài)和表面態(tài)信號(hào)；分析磁場(chǎng)誘導(dǎo)下表面態(tài)朗道能級(jí)的量子化特征。（三）超導(dǎo)量子干涉器件的應(yīng)用基于DC-SQUID設(shè)計(jì)一臺(tái)磁梯度儀：說(shuō)明約瑟夫森效應(yīng)在SQUID中的作用機(jī)制；若臨界電流Ic=10μA，計(jì)算磁通量靈敏度；設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，利用該儀器探測(cè)高溫超導(dǎo)體的磁通渦旋運(yùn)動(dòng)。六、前沿展望與挑戰(zhàn)高溫超導(dǎo)與拓?fù)湮飸B(tài)作為凝聚態(tài)物理的兩大前沿領(lǐng)域，在2025年展現(xiàn)出加速融合的趨勢(shì)。鎳基超導(dǎo)的發(fā)現(xiàn)為高溫超導(dǎo)機(jī)理研究提供了新的模型體系，其層狀結(jié)構(gòu)與電子關(guān)聯(lián)效應(yīng)的相互作用，可能揭示高溫超導(dǎo)的普適規(guī)律。拓?fù)淞孔佑?jì)算在材料制備和器件集成方面的突破，使實(shí)用化量子計(jì)算機(jī)的研發(fā)邁出關(guān)鍵一步。未來(lái)五年，預(yù)計(jì)在以下方向?qū)⒊霈F(xiàn)重要進(jìn)展：鎳基超導(dǎo)的元素替代研究可能將轉(zhuǎn)變溫度提升至77K液氮溫區(qū)；手性拓